无人机液氢燃料电池热管理系统仿真研究

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30964

氢能飞行器技术专栏

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无人机液氢燃料电池热管理系统仿真研究

虞翔宇(), 李文, 严杰, 梁世哲

航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司，成都 610091

收稿日期:2024-07-18 修回日期:2024-08-28 接受日期:2024-10-18 出版日期:2024-11-04 发布日期:2024-11-04
通讯作者: 虞翔宇 E-mail:yuxiangyu@126.com

Simulation research on thermal management system of fuel cell for liquid hydrogen powered UAV

Xiangyu YU(), Wen LI, Jie YAN, Shizhe LIANG

AVIC Chengdu Aircraft Industry （Group） Co. ，Ltd. ，Chengdu 610091，China

Received:2024-07-18 Revised:2024-08-28 Accepted:2024-10-18 Online:2024-11-04 Published:2024-11-04
Contact: Xiangyu YU E-mail:yuxiangyu@126.com

摘要/Abstract

摘要：

燃料电池无人机具有长航时、低红外辐射和绿色低碳等特点，是新型无人机的重要发展方向。针对于无人机燃料电池热管理系统散热量大、散热温差小和热不匹配问题，提出了一种基于液氢存储的无人机燃料电池热管理系统方案和控制策略。该热管理系统充分利用了液氢冷能对燃料电池进行散热，有效解决了燃料电池无人机飞行过程中的热不匹配问题，为无人机液氢燃料电池热管理系统的设计和优化提供了新思路。基于建立的液氢无人机热管理系统，对典型无人机飞行工况下的热管理系统工作过程进行了仿真研究，结果表明：基于所研究的无人机平台，所建立的液氢无人机燃料电池热管理系统，在全飞行剖面内可以有效实现燃料电池温度控制。其中电堆出口最高温70 ℃，最低温14.6 ℃，巡航阶段温度可以稳定在65 ℃，且液氢储罐压力稳定控制在0.5±0.04 MPa。在全机热载荷最大的无人机爬升阶段引入消耗性氢热沉，可以有效提高系统散热能力，防止爬升过程冷却液超温气化，也可以降低引气面积过大导致的冷却液冻结风险。在热管理系统最低温度一致的前提下，乙二醇水溶液比水携带质量更少，距离凝固点的温差更大，凝固风险更低，但爬升阶段液氢消耗量更多。基于仿真计算结果，提出了液氢消耗量-冷却液质量计算模型，对热管理系统优化设计具有重要的指导意义。

关键词: 液氢, 无人机, 氢燃料电池, 热管理系统, 动态分析

Abstract:

Fuel cell powered Unmanned Aerial Vehicle （UAV）， characterized by long endurance， low infrared radiation， low carbon emission， has become a promising technology for future UAV designs. Considering the high heat loads and small temperature difference during heat exchange， the present study develops a thermal management system and the corresponding control strategy of fuel cell for liquid hydrogen powered UAV. Utilizing the cold energy of liquid hydrogen for fuel cell cooling， the proposed thermal management system effectively provides a new idea for the future design and optimization of UAV thermal management. Based on the proposed thermal management system， a simulation study is conducted on the operation process of thermal management system under typical flight phases. The results indicate that： Based on the developed thermal management model， the temperature of fuel cell is effectively controlled for each flight phase. The maximum and minimum outlet temperature of the liquid coolant is 70 ℃ and 14.6 ℃， respectively. The liquid coolant temperature at the fuel cell outlet can be maintained at 65 ℃ during cruise. Meanwhile， the internal pressure of liquid hydrogen tank is stably maintained at 0.5±0.04 MPa. For the takeoff phase which the heat loads reach the maximum value， the expendable hydrogen is applied as heat sink for thermal management. This method can reduce the air intake area， and subsequently avoid the liquid coolant freezing at high altitude. Under the premise of consistent minimum temperature in the thermal management system， ethylene glycol aqueous solution carries less mass than water， has a greater temperature difference between the solidification point that has lower solidification risk， but consumes more liquid hydrogen during the climbing phase. Based on the simulation results， the prediction model is proposed for the mass of consumed liquid hydrogen during takeoff. The model has significant guiding value in optimal design of fuel cell thermal management system for UAV.

Key words: liquid hydrogen, UAV, PEMFC, thermal management system, dynamic analysis

中图分类号:

V245

虞翔宇, 李文, 严杰, 梁世哲. 无人机液氢燃料电池热管理系统仿真研究[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 630964.

Xiangyu YU, Wen LI, Jie YAN, Shizhe LIANG. Simulation research on thermal management system of fuel cell for liquid hydrogen powered UAV[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(9): 630964.

图/表 36

表 1

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图 30

参考文献 27

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参数	数值
液氢携带量/kg	150
巡航高度/m	10 000
燃料电池发电功率/kW	0.5~50
液氢储罐容积/m³	3

序号	高度/m	温度/K	压力/kPa	密度/（kg·m^-3）
1	-500	291.4	107.470	1.284 9
2	0	288.15	101.325	1.225 0
3	1 000	281.65	89.876	1.111 7
4	2 000	275.15	79.501	1.006 6
5	3 000	268.66	70.121	0.909 3
6	4 000	262.17	61.660	0.819 4
7	5 000	255.68	54.048	0.736 4
8	6 000	249.19	47.217	0.660 1
9	7 000	242.70	41.105	0.590 0
10	8 000	236.22	35.651	0.525 8
11	9 000	229.73	30.800	0.467 1
12	10 000	223.25	26.499	0.413 5
13	11 000	216.77	22.699	0.364 8
14	12 000	216.65	19.399	0.311 9

序号	温度/K	动力黏度/（Pa·s）	导热系数/（W·（m·K）^-1）	普朗特数
1	223.15	0.000 014 6	0.020 4	0.728
2	233.15	0.000 015 2	0.021 2	0.728
3	243.15	0.000 015 7	0.022 0	0.723
4	253.15	0.000 016 2	0.022 8	0.716
5	263.15	0.000 016 7	0.023 6	0.712
6	273.15	0.000 017 2	0.024 4	0.707
7	283.15	0.000 017 6	0.025 1	0.705
8	293.15	0.000 018 1	0.025 9	0.703
9	303.15	0.000 018 6	0.026 7	0.701
10	313.15	0.000 019 1	0.027 6	0.699
11	323.15	0.000 019 6	0.028 3	0.698
12	333.15	0.000 020 1	0.029 0	0.696
13	343.15	0.000 020 6	0.029 6	0.694
14	353.15	0.000 021 1	0.030 5	0.692
15	363.15	0.000 021 5	0.031 3	0.690

序号	压力/MPa	温度/K	密度/（kg·m^-3）	液态比焓/（kJ·kg^-1）	气态比焓/（kJ·kg^-1）
1	0.1	20.324	1.316 4	-0.446 79	448.47
2	0.2	22.910	2.482 6	27.665 00	459.62
3	0.3	24.683	3.646 4	49.884 00	463.16
4	0.4	26.076	4.840 5	69.476 00	463.01
5	0.5	27.243	6.086 6	87.667 00	460.44
6	0.6	28.255	7.405 7	105.120 00	455.94
7	0.7	29.154	8.823 2	122.270 00	449.67
8	0.8	29.967	10.374 0	139.540 00	441.58
9	0.9	30.709	12.111 0	157.360 00	431.40
10	1.0	31.393	14.128 0	176.360 00	418.49
11	1.1	32.027	16.618 0	197.740 00	401.44
12	1.2	32.616	20.136 0	224.800 00	376.14

名称	总流通截面积/m²	传热面积/m²	效能（爬升终点）
空气换热器（EX3）	0.018（气）	1.475	0.854
空气换热器（EX3）	0.002 26（液）	1.475	0.854
氢气预热器（EX2）	0.000 030 2（气）	0.247	0.936
氢气预热器（EX2）	0.001 09（液）	0.247	0.936
氢气冷却器（EX4）	0.000 241（气）	1.975	0.931
氢气冷却器（EX4）	0.001 09（液）	1.975	0.931

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序号	水		乙二醇水溶液
序号	冷却液质量/kg	液氢消耗质量/kg	冷却液质量/kg	液氢消耗质量/kg
1	3.229	17.468	3.429	19.106
2	16.145	17.209	17.145	18.837
3	32.290	16.862	34.290	18.467
4	48.435	16.520	51.435	18.126
5	64.580	16.171	68.580	17.775

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